GPS单点定位的原理与方法

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GPS单点定位的原理与方法

2.1 GPS单点定位的原理

绝对定位也称单点定位,是指在协议地球坐标系中,直接确定观测站相对于坐标原点(地球质心)绝对坐标的一种方法。

“绝对”一词主要是为了区别相对定位,绝对定位和相对定位在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则区别。

绝对定位的基本原理:以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离(或距离差)观测量为基础,根据已知的卫星瞬时坐标,来确定接收机天线所对应的点位,即观测站的位置。GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫星为球心,相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。

由于GPS采用单程测距原理,实际观测的站星距离均含有卫星钟和接收机钟同步差的影响(伪距),卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正,而接收机的钟差一般难以预料。通常将其作为一个未知参数,在数据处理中与观测站坐标一并求解。一个观测站实时求解4个未知数,至少需要4个同步伪距观测值,即4颗卫星。

绝对定位可根据天线所处的状态分为动态绝对定位和静态绝对定位。无论动态还是静态,所依据的观测量都是所测的站星伪距。根据观测量的性质,伪距有测码伪距和测相伪距,绝对定位相应分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。

2.2 动态绝对定位原理

2.2.1 测码伪距动态绝对定位法

当仅观测4颗卫星时,无多余观测量,解算是唯一的。如果同步观测的卫星数nj大于4颗时,则需利用最小二乘法平差求解

2.2.2 测相伪距动态绝对定位法

利用测相伪距进行动态定位一般无法实时求解。获得动态实时解的关键在于能否

预先或在运动中可靠地确定载波相位观测值的整周未知数。

载体在运动过程中,要始终保持对所测卫星的连续跟踪,目前在技术上尚有一定困难,同时目前动态解算整周未知数的方法,在应用上也有局限性。因此实时动态定位中目前主要采用测码伪距为观测量的方法。

2.3 静态绝对定位原理

静态绝对定位时观测站是固定的,可以于不同历元同步观测不同卫星,取得充分多的伪距观测量,通过最小二乘平差,提高定位精度。

2.3.1 测码伪距静态绝对定位

如果观测的时间较长,接收机钟差的变化往往不能忽略。

2.3.2 测相伪距静态绝对定位

应用测相伪距法进行静态绝对定位时,由于存在整周不确定性,在同样观测4颗卫星的情况下,至少于3个不同历元对4颗相同卫星进行同步观测。测相伪距观测量精度高,有可能获得精度较高的定位结果。但定位精度仍受卫星轨道误差和大气折射误差等影响,只有当卫星轨道精度较高,并以必要的精度对观测量加入电离层和对流层等项修正,才能发挥测相法绝对定位潜能;同时如何防止和修复整周变跳,对保障定位精度十分重要。

另外,整周未知数Nij(t0),理论上是整数,但由于观测误差和各修正量误差的影响,平差求解后不再是整数。如果把非整数的整周未知数调整为相近的整数,作为固定值代入重新求解其它未知参数,所得的解称为固定解,而相应整周未知数为非整数的解成为浮动解。

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